一款48V八相交错并联Buck/Boost变换器的设计与分析①

甘崇剑

(同济大学汽车学院,上海 201804)

0 引 言

为了有效缓解能源短缺和环境污染的压力，我国法规要求到2020年乘用车平均燃料消耗量降至5.0升/百公里以下。由于传统内燃机技术很难满足此要求，促使48V轻度混合动力系统成为行业研究热点之一[1]。

1 八相交错并联Buck/Boost变换器说明

根据48V轻度混合动力系统的规划，整车会采用一个48V发电机，而取消了传统12V发电设备。通过48V双向DC/DC变换器连接48V电源系统和12V电源系统，并在两个电源系统之间实现能量的双向流动。图1显示了一款48V双向DC/DC变换器在整车中的连接示意图。

图1 48V双向DC/DC变换器整车连接示意图

为了满足某整车企业提出的实际应用要求，采用八相交错并联Buck/Boost的拓扑结构设计了一款48V双向DC/DC变换器。它包含八个单相Buck/Boost电路，每相与传统Buck/Boost变换器的工作原理相同，差别在于相邻的两相Buck/Boost电路存在45°相位差。

2 八相交错并联Buck/Boost变换器的设计与分析

2.1 硬件原理及参数设计

根据多相交错并联Buck/Boost变换器工作原理及设计要求，设计完成硬件原理框图如图2所示。硬件原理框图主要包括如下几个模块：

1) 八相交错并联双向Buck/Boost电路模块；

2) 功率电源滤波及保护模块；

3) 控制器电源及CAN网络通信模块；

4) 风扇控制及其它模块；

由于Buck/Boost拓扑结构下降压(Buck)模式和升压(Boost)模式具有对称性，现采用降压模式对Buck/Boost电路进行参数设计分析。

(1) 储能电感参数设计

理想情况下单相Buck/Boost电路的储能电感值可以通过公式(1)计算得到。

(1)

其中，L1是单相Buck/Boost电路的储能电感值，单位是H；V12是输出端(低压端)电压，单位是V；D是占空比；m是相数；r是电流纹波率；IBuck_o是降压模式额定输出电流，单位是A；fsw1是单相Buck/Boost电路开关频率，单位是Hz。

图2 八相交错并联Buck/Boost变换器硬件原理框图

根据工程经验将单相Buck/Boost电路的工作频率选择为fsw1=100kHz，将电流纹波率选择为40%[2]，计算得出3kW输出功率情况下，每相Buck/Boost电路储能电感的电感值和平均工作电流分别为9.7uH和27A。

(2) 功率开关器件参数设计

根据目前市场上主要功率半导体器件的优缺点及应用情况，选择MOSFET作为功率开关器件，它具有开关速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热稳定性好等优点[3]。因为整车定义的高压端口最大输出电压为54V，根据工程经验选择80V作为MOSFET耐压等级。降压模式下功率开关器件的平均工作电流与储能电感相同。其余参数(如导通阻抗、寄生容抗、开关速度等)可以按照“快速工作损耗小”的原则进行选择。

2.2 主要元器件损耗分析

当48V八相交错并联Buck/Boost变换器在48V电源系统和12V电源系统之间转移能量时，它自身也会消耗一部分能量。为了确定3kW降压模式(高压为48V，低压为14V)下的工作效率，对主要元器件进行功率损耗分析。

(1) 储能电感

储能电感的损耗主要来源于铜损、磁芯损耗和交流绕线损耗三部分。由直流等效电阻引起的损耗称为铜损，它可以通过公式(2)表示；由材料内磁通量场的变化产生的损耗称磁芯损耗，由交流等效电阻引起的损耗称为交流绕线损耗，它们通常由电感供应商直接提供。

(2)

其中，Pdcr是储能电感的铜损，单位是W；Irms是流过储能电感电流的有效值，单位是A；DCRT是环境温度为T时储能电感直流等效电阻，单位是Ω；DCR25是环境温度为T25时储能电感等效直流电阻，单位是Ω；α是储能电感材料的温度系数，铜材一般选择0.00393/℃；T和T25是储能电感环境温度，单位是℃。

当双向DC/DC变换器工作环境温度为70℃时，根据公式(2)可以计算出储能电感的铜损为

1.95W。当电流纹波率为40%且单相电路工作频率为100kHz时，根据供应商提供的数据显示磁芯损耗和交流绕线损耗为2W，此时储能电感的总损耗为3.95W。

(2) 功率MOSFET

如果MOSFET一直处于导通状态，则导通损耗可以采用公式(3)进行表示。

(3)

其中，PCM是MOSFET导通损耗，单位是W；IDrms是流过MOSFET电流有效值，单位是A；Rds(on)(Tj)是结温为Tj时MOSFET的导通阻抗，单位是Ω。

根据Buck/Boost工作原理分析可知，处于降压模式下功率开关MOSFET的导通损耗可以采用公式(4)进行表示，续流MOSFET的导通损耗可以采用公式(5)进行表示。

(4)

(5)

其中，PCMHS是降压模式功率开关MOSFET的导通损耗，单位是W；Tsw是开关周期，单位是s；D是占空比；iD(t)是流过MOSFET的电流，单位是A；Rds(on)(Tj)是结温为Tj时MOSFET的导通阻抗，单位是Ω；PCMLS是降压模式续流MOSFET的导通损耗，单位是W；td是体二极管续流时间，单位是s；pcd(t)是MOSFET体二极管导通损耗，单位是W。

由于MOSFET在打开和关闭的过程中，电压的变化和电流变化存在重叠部分，因此会存在开关损耗。当MOSFET处于开关状态且体二极管处于反向截止状态，此时可忽略体二极管功率损耗，故功率MOSFET中的开关损耗可以采用公式(6)近似计算得到[4]。

(6)

其中，PswM是MOSFET开关损耗，单位是W；UDS是MOSFET开关过程中D-S电压变化值；IDon是开通后流过MOSFET电流值，单位是A；tsw是开通和关断时间之和，单位是s；fsw是MOSFET开关频率，单位是Hz。

当双向DC/DC变换器工作环境温度为70℃时，本应用的功率MOSFET会出现三种情况，第一种情况是用于Buck/Boost电路的开关MOSFET，根据规格书及公式(4)和公式(6)可以计算出单个MOSFET的总损耗为2.9W；第二种情况是用于Buck/Boost电路的续流MOSFET，根据规格书及公式(5)和公式(6)可以计算出单个MOSFET的总损耗为2.8W；第三种情况是用于12V电源的防反接及开关保护用MOSFET，根据规格书及公式(3)可以计算出单个MOSFET的总损耗为2.4W。

(3) 电流采样电阻

电流采样电阻的功率损耗可以采用公式(7)进行计算。

(7)

其中，Psh是采样电阻损耗，单位是W；Irms是流过采样电阻电流的有效值，单位是A；RT是环境温度为T时采样电阻阻抗，单位是Ω；R25是环境温度为T25时采样电阻阻抗，单位是Ω；TCR是采样电阻的温度系数，单位是10-6/℃；T和T25是采样电阻环境温度，单位是℃。

当双向DC/DC变换器工作环境温度为70℃时，将采样电阻值1mΩ和温度系数10-4/℃代入公式(7)可计算出功率损耗为0.7W。

图3 双向DC/DC变换器的温度场分布仿真结果

2.3 整机热仿真分析

根据上一节分析可知，当双向DC/DC变换器工作环境温度为70℃时，单相Buck/Boost电路的主要损耗包括一个储能电感、一个功率开关MOSFET、一个续流MOSFET和一个采样电阻，单相Buck/Boost损耗合计为10.4W；12V电源防反接及开关保护电路一共使用了12个MOSFET，总损耗为28.8W；其余电路损耗为16W，此时电路总损耗为128W。如果不能为其找到合适的散热路径，轻则会影响产品寿命和可靠性，重则导致产品失效会影响整车功能。为了提高产品一次成功率，缩短产品开发周期，降低产品开发成本，在激烈的市场竞争中占得一席之地，采用了ANSYS的ICEPAK软件进行前期热仿真设计。图3是双向DC/DC变换器的温度场分布仿真结果，它显示在强制风冷情况下双向DC/DC变换器的最高温度为133.9℃(温升63.9℃)。

3 实际测试结果

根据上一节分析可知，当双向DC/DC变换器工作环境温度为70℃时，双向DC/DC变换器的总损耗为128W，故而3kW降压模式下双向DC/DC变换器的理论工作效率如公式(8)所示。

(8)

其中，η是工作效率；Pout是降压模式下输出功率，单位是W；Ploss是降压模式下总损耗，单位是W。

为了验证主要元器件功率损耗及工作效率理论分析结果，对双向DC/DC变换器降压模式工作效率进行测试，实测发现降压输出功率为3kW时，工作效率为95.8%，与理论计算数据十分接近。

4 结 论

实际样机的工作效率测试结果与理论数据十分接近，充分验证了48V八相交错并联双向Buck/Boost变换器的设计及分析的正确性，研究成果能够满足整车企业对48V双向DC/DC变换器提出的功能需求及设计指标，具有一定的实际应用价值。